陶洪飛，沈萍萍，周 洋，吳梓境，李 巧

微灌用泵前微壓過濾器的最佳運行工況研究

陶洪飛1,2*，沈萍萍1,2，周 洋1,2，吳梓境1,2，李 巧1,2

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學 水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052；2.新疆水利工程安全與水災害防治重點實驗室，烏魯木齊 830052）

探究微灌用泵前微壓過濾器的最佳運行工況。以泵前微壓過濾器為研究對象，以水頭損失、截沙質(zhì)量和總過濾效率作為考核指標，開展了進水流量、含沙量、分水器型式、濾網(wǎng)面積等因素的物理模型正交試驗，采用極差和方差分析方法對試驗結(jié)果進行處理。影響水頭損失大小的因素依次排序為：進水流量、含沙量、濾網(wǎng)面積、分水器型式；對截沙質(zhì)量影響大小依次排序為：含沙量、濾網(wǎng)面積、分水器型式、進水流量；對總過濾效率影響大小依次排序為：濾網(wǎng)面積、含沙量、分水器型式、進水流量。影響水頭損失、截沙質(zhì)量及總過濾效率的兩個主要因素是含沙量和濾網(wǎng)面積；經(jīng)綜合分析可知最佳運行工況為：進水流量4 m3/h，含沙量1.5 g/L，分水器型式3型，濾網(wǎng)面積2 060 cm2。

過濾器；微灌系統(tǒng)；正交設(shè)計；極差分析；方差分析

0 引 言

【研究意義】過濾器是微灌系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，保障了微灌系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。本文針對一種新型微灌用泵前過濾器開展最佳運行工況研究，提出影響過濾性能因素的排序，給出最佳運行工況。研究成果將為泵前微壓過濾器在過濾性能方面的研究提供理論依據(jù)，具有現(xiàn)實意義，同時取得的成果可豐富完善固液分離和過濾理論。

【研究進展】目前，市場上常用的過濾器包括砂介質(zhì)過濾器、網(wǎng)式過濾器及疊片過濾器等[1-6]。專家學者對過濾器的水力性能和過濾性能開展了大量研究。對于過濾器水力性能的研究，主要采用物理試驗結(jié)合量綱分析的方法。Elbana等[7]在研究微灌砂石過濾器的水頭損失時采用量綱分析法建立了一個數(shù)學模型，該模型具有較高的精度和準確性。劉煥芳等[8]對網(wǎng)式過濾器進行水頭損失試驗，分析了堵塞對局部水頭損失的影響，提出了含沙水條件計算局部水頭損失的經(jīng)驗式。Puig-Bargues等[9]采用量綱分析法建立了微灌用網(wǎng)式過濾器水頭損失計算的通用數(shù)學模型，通過該模型計算得到的水頭損失和試驗數(shù)據(jù)較為吻合。Duran-Ros等[10]基于Yurdem等[11]的研究成果，采用量綱分析方法推導和建立了新的水頭損失數(shù)學模型，經(jīng)檢驗該模型更加貼近于實際。Wu等[12]考慮網(wǎng)式過濾器結(jié)構(gòu)尺寸和影響濾網(wǎng)過濾介質(zhì)的因素，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)和量綱分析方法，建立了改進的水頭損失計算數(shù)學模型。Zong等[13]利用量綱分析法，分別建立了清水和渾水條件下自清洗網(wǎng)式過濾器的水頭損失方程，該方程預測水頭損失更加準確。崔瑞等[14]對2種不同流道結(jié)構(gòu)的疊片過濾器進行研究，結(jié)果表明，水頭損失與流量呈現(xiàn)出冪函數(shù)關(guān)系，水頭損失增加值隨流量的增加大幅增加。

對于過濾器的過濾性能的研究，學者們往往采用物理試驗、數(shù)值模擬及理論分析的方法。張文正等[15]對影響砂石過濾器過濾效果的因素進行研究，結(jié)果表明，濾層厚度、原水含沙量對濁度、顆粒質(zhì)量濃度影響顯著；過濾速度、原水含沙量對水頭損失影響顯著。宗全利等[16]對網(wǎng)式過濾器進行堵塞試驗，結(jié)果表明，濾網(wǎng)堵塞經(jīng)歷了介質(zhì)堵塞和濾餅堵塞2個過程，含有大量較粗顆粒泥沙等物理因素是造成濾網(wǎng)堵塞的主要原因。石凱等[17]對新型翻板網(wǎng)式過濾器開展了水頭損失與流量、含沙量關(guān)系的試驗研究，建立了水頭損失與流量之間的數(shù)學表達模型，并用試驗結(jié)果對數(shù)學模型進行了擬合驗證。周理強等[18]采用 CFD-DEM（Discrete Element Method, DEM）耦合數(shù)值模擬方法對有無導片的Y型網(wǎng)式過濾器內(nèi)的流態(tài)和水沙運動規(guī)律開展了研究，研究表明安裝導流片時泥沙在濾網(wǎng)面上的堆積減少，過濾器的抗堵塞性能也得到提高。李楠等[19]對疊片過濾器過濾性能進行研究，結(jié)果表明，水頭損失隨加砂量的增加呈現(xiàn)非比例的增加，并且得出過濾精度M與疊片最小斷面內(nèi)切圓直徑的關(guān)系范圍。秦天云等[20]對網(wǎng)式和疊片過濾器進行研究，結(jié)果表明，網(wǎng)式過濾器水力性能優(yōu)于疊片過濾器，過濾效果低于疊片過濾器。

【切入點】目前國內(nèi)外學者主要研究強壓邊界條件下過濾器的水力性能和過濾性能，這種微灌過濾器存在水頭損失大、能耗高及過濾效果不穩(wěn)定等問題。為了滿足低碳環(huán)保的要求[21]，設(shè)計了泵前微壓過濾器，目前已獲批專利[22]。將邊界條件由強壓改變?yōu)槲?，則水力性能和過濾性能就會發(fā)生變化，但是目前對泵前微壓過濾器的運行工況研究甚少，因此有必要對泵前微壓過濾器進行研究?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本文對泵前微壓過濾器水力性能和過濾性能進行研究，分析含沙量、進水流量、分水器型式、濾網(wǎng)面積對泵前微壓過濾器水頭損失、截沙質(zhì)量和總過濾效率因素的影響排序，確定泵前微壓過濾器運行的最佳工況，為過濾器結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供技術(shù)支撐，深化泵前微壓過濾理論研究。

1 材料和方法

1.1 試驗裝置及工作原理

泵前微壓過濾器循環(huán)系統(tǒng)由攪拌池、蓄水池、泵前微壓過濾器及連接管道等組成。泵前微壓過濾器由過濾池、分水器及不銹鋼濾網(wǎng)等組成，如圖1所示。蓄水池和過濾池均采用板厚為7 mm的透明亞克力板制作而成，便于觀察試驗現(xiàn)象。蓄水池內(nèi)部尺寸為：長500 mm、寬300 mm、高600 mm；過濾池可調(diào)整為3個尺寸，分別對應3種面積的濾網(wǎng)，過濾池寬300 mm、高430 mm，當過濾池長度調(diào)整為505 mm時，對應濾網(wǎng)的面積為1 105 cm2；當長度調(diào)整為705 mm時，對應濾網(wǎng)的面積為1 582 cm2；當長度調(diào)整為915 mm時，對應濾網(wǎng)的面積為2 060 cm2。分水器型式如圖2所示，1型、2型、3型分水器由頭部、中間段和尾部3個部分構(gòu)成，區(qū)別在于其頭部和尾部的形狀。其中，頭部和尾部長度為60 mm，中間段長度為300 mm。1型分水器頭部由擬合曲線旋轉(zhuǎn)而成，2型分水器頭部由橢圓曲線旋轉(zhuǎn)而成，其中長軸為120 mm，短軸為40 mm，3型分水器頭部形狀為圓臺，其中上底半徑為5 mm，下底半徑為20 mm。分水器安裝方法：將分水器放置在濾網(wǎng)內(nèi)，兩端用鐵箍固定。分水器由一種高強度的光敏纖維制成，安裝于濾網(wǎng)的內(nèi)部，通過改變?yōu)V網(wǎng)內(nèi)部的水流分布狀態(tài)，來提高過濾速度和改善泥沙分布的均勻性。進水管和回水管的直徑為50 mm，連接管和出水管的直徑為75 mm。試驗流量通過調(diào)節(jié)進水閥門和回水閥門的開度來控制，流量通過超聲波流量計來測量。

注 1.蓄水池；2.進水閥門；3.分水器；4.進水口；5.過濾池；6.濾網(wǎng)；7.出水口；8.出水閥門；9.排污閥門；10.集污濾網(wǎng)；11.攪拌泵；12.攪拌池；13.泥漿泵；14.回水閥門。

圖2 分水器三維圖

泵前微壓過濾器實際工程的工作原理是指地表水中的泥沙顆粒先經(jīng)沉沙池初步沉降，然后由沉沙池尾部的出水管流入過濾器內(nèi)部。水流由內(nèi)而外進行過濾，過濾后清水由網(wǎng)孔流出。隨著過濾的進行，雜質(zhì)逐漸累積在濾網(wǎng)內(nèi)部，當濾網(wǎng)堵塞到一定程度時，必須進行排污操作，以恢復濾網(wǎng)的過濾能力和過濾效率，此時，打開排污閥門，在沉沙池自然水頭的作用下實現(xiàn)水力排沙。也可采用人工沖洗的方式，將不銹鋼濾網(wǎng)拆下，進行手動沖洗，沖洗完畢后，重新安裝濾網(wǎng)。

泵前微壓過濾器試驗系統(tǒng)工作原理：在攪拌池里加入事先稱量好的泥沙，打開攪水泵，將水沙混合均勻，調(diào)節(jié)進水閥門開度至設(shè)計流量。含沙渾水由泥漿泵吸入過濾系統(tǒng)，首先在蓄水池進行初步過濾，然后利用蓄水池尾部的自然水頭流入過濾器，在過濾器內(nèi)過濾后通過出水管再回到攪拌池內(nèi)。進行過濾試驗過程中分別更換不同面積的濾網(wǎng)并加入不同型式的分水器進行試驗，以分析不同試驗條件下過濾器的水力性能和過濾性能。每一組渾水試驗結(jié)束后，將整個試驗裝置清洗干凈。

1.2 試驗設(shè)備和材料

泵前微壓過濾器采用過濾池和100目不銹鋼濾網(wǎng)組合的方式（如圖3所示），對含沙水流進行過濾處理，以達到微灌的要求。試驗供水裝置為一個直徑0.8 m、長1.5 m、高0.33 m的近似圓柱筒體。試驗用的沙樣是根據(jù)滴灌系統(tǒng)中沉沙池尾部的泥沙粒徑配置的，但為了縮短試驗時間并觀察到明顯的試驗現(xiàn)象，另添加了占比為2.13%（粒徑為0.25～0.5 mm）和0.04%（粒徑為0.5～1 mm）的泥沙，因占比較少，可認為接近現(xiàn)場的情況。為了保證試驗過程含沙量的穩(wěn)定，防止泥沙顆粒沉積在圓柱筒體底部，干擾試驗現(xiàn)象，采用漏斗均勻加沙，采用攪拌泵的方式將泥沙顆?；旌暇鶆颉Ｔ囼炘O(shè)備主要有：攪水泵、泥漿泵及手持式超聲波流量計等，如表1所示，試驗沙樣的粒徑分布如表2所示。

圖3 泵前微壓過濾器過濾池內(nèi)部圖

表1 試驗設(shè)備

表2 試驗沙樣的粒徑分布

1.3 正交試驗設(shè)計

在渾水試驗過程中，考察因素分別為：進水流量、含沙量、濾網(wǎng)面積和分水器型式，考察指標為：過濾器的水頭損失、截沙質(zhì)量、總過濾效率。在進行泵前微壓過濾器渾水試驗前，課題組做了預試驗，通過預試驗確定試驗裝置的流量范圍為2～8 m3/h，故試驗流量分別取為2、4、6、7、8 m3/h。由于新疆地區(qū)灌溉水源多為地表水，具有含沙量高、粒徑小的特點，南疆河流多年平均含沙量基本超過2.0 kg/m3，北疆河流平均含沙量為0.69 kg/m3[23]，為模擬實際工程含沙量變化情況并縮短試驗時間，本研究含沙量范圍設(shè)置為0.5～2.5 g/L，故含沙量分別取0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 g/L。分水器通過改變?yōu)V網(wǎng)內(nèi)部的水流分布狀態(tài)，來提高過濾速度和改善泥沙分布的均勻性，分別加入3種不同類型的分水器，對比分析出水頭損失小，過濾效率高的分水器。過濾池的長度可分別調(diào)整為505、705、915 mm，對應的濾網(wǎng)面積分別為1 105、1 582、2 060 cm2。

因此，選取的因素及水平如下：進水流量A（2、4、6、7、8 m3/h，記為A1—A5），含沙量B（0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 g/L，記為B1—B5），分水器型式C（不加、1型、2型、3型，記為C1—C4），濾網(wǎng)面積D（1 105、1 582、2 060 cm2，記為D1—D3）。

1.4 試驗步驟

關(guān)閉排污閥門，調(diào)節(jié)進水閥門開度至設(shè)計流量，加入稱量好的泥沙，打開攪水泵，將水沙混合均勻，含沙渾水由泥漿泵吸入過濾系統(tǒng)開始過濾，試驗過程中，讀取不同試驗條件下，不同過濾時間對應的蓄水池和過濾池內(nèi)水位；記錄相應時間下的進水流量大小，并同時在出水管尾部提取含沙水樣，采用烘干法測其出水含沙量；試驗結(jié)束后，將濾網(wǎng)內(nèi)聚集的泥沙顆粒和沉積在過濾池底的泥沙進行稱質(zhì)量。每一組渾水試驗結(jié)束后，將整個試驗裝置清洗干凈，按照正交試驗設(shè)計安排試驗。

1.5 試驗指標

過濾器的水頭損失（w）。當水流經(jīng)過管道、閥門、濾網(wǎng)等過濾元件時，由于進出口斷面形式發(fā)生變化以及過濾元件對水流造成的阻力，產(chǎn)生的能量損失。當水流含有泥沙等雜質(zhì)時，此時水流的黏滯性大于清水，在水流運動過程中，流體之間以及流體與過濾器接觸面之間的阻力會增大，會產(chǎn)生更大的能量損失。因此，確定影響水頭損失的關(guān)鍵因素，可為降低水頭損失以及進一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

總過濾效率（）。過濾器過濾過程過濾效率的均值。過濾效率為過濾前水流含沙量（1）與過濾后（出水口）水流含沙量（2）的差值和過濾前水流含沙量的比值，過濾效率表達式如（1）所示，過濾效率反映了過濾器對于水中雜質(zhì)的攔截程度百分比，過濾效率越高，則濾后水質(zhì)越好，越能滿足灌溉要求。

6月下旬至7月上旬核桃當年生新梢半木質(zhì)化時進行芽接，由于嫁接時間有限，對拜城縣核桃實生樹改接帶來了制約。在核桃夏季當年生新梢5月嫩枝嫁接、6月在2年生以上枝條上采用方塊芽接等嫁接技術(shù)的試驗成功，不僅拉長了核桃夏季嫁接時間，而且可以有效的在2年生枝條上進行芽接，打破了傳統(tǒng)的在當年生新梢半木質(zhì)化期芽接核桃新品種的限制，為拜城縣乃至南疆地區(qū)加快核桃優(yōu)良品種的發(fā)展提供質(zhì)量保證。

截沙質(zhì)量（m）。當過濾器在不同試驗條件下工作時，由于進水流量、含沙量、濾網(wǎng)面積、分水器型式的差異，會導致濾網(wǎng)內(nèi)截留泥沙的質(zhì)量存在差異。分析不同試驗條件對截留泥沙質(zhì)量的影響，確定影響截留泥沙質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)，進一步提升裝置的泥沙截取能力。

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗結(jié)果及極差分析

采用正交試驗設(shè)計，空白列當作一個誤差因素，開展25組室內(nèi)物理模型試驗，試驗結(jié)果如表3所示。

在表3中，1、2、3、4和5分別為各因素各個水平下水頭損失的總和，1、2、3、4和5分別為各因素各個水平下水頭損失的均值。當以過濾器的水頭損失為考察指標時，水頭損失均值越小則表明水力性能越好，越有利于過濾的進行。由表3水頭損失極差分析結(jié)果可知，最佳工況為A1B1C4D2，即當進水流量為2 m3/h，含沙量為0.5 g/L，分水器型式為3型，濾網(wǎng)面積為1 582 cm2時的水頭損失最小。水頭損失計算式：

當以過濾器的截沙質(zhì)量作為考察指標時，截沙質(zhì)量的均值越大則表明在該試驗條件下濾網(wǎng)內(nèi)部截留的泥沙顆粒越多，過濾泥沙量更大，更能保證出水水質(zhì)更加接近清水。由表3截沙質(zhì)量極差分析結(jié)果可知，最佳工況是A4B5C4D3，即當進水流量為7 m3/h，含沙量為2.5 g/L，分水器型式為3型，濾網(wǎng)面積為2 060 cm2時的截沙質(zhì)量最大。正交試驗選出的最佳工況為A3B5C4D2，與極差分析最優(yōu)工況不同。因此，為驗證該方案是否準確可靠，在進水流量為7 m3/h，含沙量為2.5 g/L，分水器型式為3型，濾網(wǎng)面積為2 060 cm2時進行試驗，試驗結(jié)果表明截沙質(zhì)量為536 g，同表3中試驗結(jié)果相比，驗證了該方案為最佳工況。因此，最佳工況為進水流量7 m3/h，含沙量2.5 g/L，分水器型式3型，濾網(wǎng)面積2 060 cm2。

當以過濾器的總過濾效率作為考察指標時，總過濾效率的均值越大表明在該試驗條件下過濾器整體對于泥沙的去除率更高，出水水質(zhì)含沙量更小。由表3中總過濾效率極差分析結(jié)果可知，最佳工況是A2B1C4D3，即當進水流量為4 m3/h，含沙量為0.5 g/L，分水器型式為3型，濾網(wǎng)面積為2 060 cm2時的總過濾效率最高。以總過濾效率為考察指標時，極差分析確定的最佳工況為A2B1C4D3，而正交試驗優(yōu)選出的最佳工況為A5B1C3D3，與極差分析最優(yōu)工況不同。因此，為驗證該方案是否準確可靠，在進水流量為4 m3/h，含沙量為0.5 g/L，分水器型式為3型，濾網(wǎng)面積為2 060 cm2時進行試驗，試驗結(jié)果表明總過濾效率為0.961，同表3中試驗結(jié)果相比，驗證了該方案為最佳工況。因此，最佳工況為進水流量4 m3/h，含沙量0.5 g/L，分水器型式3型，濾網(wǎng)面積2 060 cm2。

2.2 方差分析

表4為渾水水頭損失的方差分析，統(tǒng)計顯著性水平設(shè)置為0.05，當<0.05時表明該因素影響顯著。由表4可知，對于過濾器的渾水水頭損失來說，進水流量對渾水水頭損失的影響最顯著，說明進水流量是影響過濾器水頭損失的最關(guān)鍵因素，其次是含沙量，然后是濾網(wǎng)面積，最后是分水器型式（影響不顯著）。

截沙質(zhì)量的方差分析結(jié)果如表5所示。由表5可知，對于過濾器的截沙質(zhì)量來說，含沙量對渾水條件下截沙質(zhì)量的影響最顯著，說明含沙量是影響過濾器截沙質(zhì)量的最關(guān)鍵因素，其次是濾網(wǎng)面積，然后是分水器型式，最后是進水流量（影響不顯著）。

總過濾效率的方差分析結(jié)果如表6所示。由表6可知，對于過濾器的總過濾效率來說，濾網(wǎng)面積對渾水條件下的總過濾效率影響最顯著，說明濾網(wǎng)面積是影響過濾器總過濾效率的最關(guān)鍵因素，其次是含沙量，然后是分水器型式，最后是進水流量（影響不顯著）。

表3 渾水水頭損失、截沙質(zhì)量和總過濾效率的極差分析結(jié)果

表4 渾水水頭損失的方差分析

注 顯著性，***表示＜0.001，**表示＜0.01，*表示＜0.05。

表6 總過濾效率的方差分析

注 顯著性，***＜0.001，**＜0.01，*＜0.05.

2.3 正交試驗結(jié)果的綜合分析

對于一個多考察指標的正交試驗來說，試驗方案的設(shè)計以及實施與單一指標正交試驗是相同的。主要區(qū)別在于，當試驗有多個考察指標時，每做1次試驗，均需對多個考察指標進行測試并記錄。當對試驗結(jié)果進行分析時，也需要對試驗考察指標進行一一分析，綜合平衡各個指標，最終確定出最優(yōu)組合。在本次試驗過程中，考察因素為：進水流量、含沙量、分水器型式和濾網(wǎng)面積，以過濾器的水頭損失、截沙質(zhì)量和總過濾效率作為考察指標，考察各因素對考察指標的影響，通過試驗確定最佳工況。

對2.1節(jié)中介紹的極差分析結(jié)果進行進一步的分析，由于各指標單獨分析得到的優(yōu)化條件不一致，因此需要綜合平衡各考察指標間的關(guān)系，確定出最優(yōu)組合方案。

2.3.1 進水流量對各考察指標影響的綜合分析

進水流量對渾水水頭損失的影響大小排第一位，為主要因素，取A1時水頭損失最小；其對于截沙質(zhì)量的影響排第五，為次要因素，取A4時最好；其對總過濾效率的影響排第五，為次要因素，取A2最好，因此A應取A1。但當A取A2時的水頭損失僅略大于水頭損失最小值，此時的截沙質(zhì)量僅次于最大截沙質(zhì)量，過濾效率達到最大，綜合考慮各考察指標，流量A取為A2時性能最佳。

2.3.2 含沙量對各考察指標影響的綜合分析

含沙量對于水頭損失的影響排第二位，取B1最好；其對截沙質(zhì)量的影響排第一位，取B5時最好；其對總過濾效率的影響排第一位，為主要影響因素，取B1最好；綜上，含沙量B可取B1或B5。但是，當B取B1時對于此工況的截沙量較小，不利于實際應用，為了平衡水頭損失、截沙質(zhì)量、總過濾效率之間的關(guān)系，B選取為B3水平，既可保證較低的水頭損失，又可以有較高的截沙質(zhì)量和總過濾效率。

2.3.3 分水器型式對各考察指標影響的綜合分析

分水器型式對水頭損失的影響排第四，取C4最好；其對截沙質(zhì)量的影響排第二，取C4最好；其對總過濾效率的影響排第三位，取C4最好；綜上，分水器型式取C4最佳。

2.3.4 濾網(wǎng)面積對各考察指標影響的綜合分析

濾網(wǎng)面積對水頭損失的影響排第三，取D2最佳；其對截沙質(zhì)量的影響排第三，取D3時最佳；其對總過濾效率的影響排第二，取D3最佳；綜上，濾網(wǎng)面積可取D2或D3。當D選取為D3時的水頭損失略大于最小水頭損失，其截沙質(zhì)量和總過濾效率均處于最大值。而當D取D2時的水頭損失最小，且其截沙質(zhì)量和總過濾效率與最優(yōu)水平相差不大，故從減小水頭損失角度考慮，D可選D2，從截沙質(zhì)量和總過濾效率方面考慮，D可選D3。

2.3.5 最佳工況的確定

綜上可知，最佳工況為進水流量取A2，含沙量B取B3，分水器型式取C4最佳，濾網(wǎng)面積取D2、D3。即A2B3C4D2和A2B3C4D3，流量為4 m3/h，含沙量為1.5 g/L，分水器型式為3型，濾網(wǎng)面積為1 582 cm2或者濾網(wǎng)面積為2 060 cm2。為驗證該方案是否可靠，采用試驗方法進行驗證。當進水流量為4 m3/h，含沙量為1.5 g/L，分水器型式為3型，濾網(wǎng)面積為1 582 cm2時，試驗結(jié)果表明，渾水水頭損失為：0.112 m，截沙質(zhì)量為：316.3 g，總過濾效率為：0.878。當進水流量為4 m3/h，含沙量為1.5 g/L，分水器型式為3型，濾網(wǎng)面積為2 060 cm2時，試驗結(jié)果表明，渾水水頭損失為：0.115 m，截沙質(zhì)量為：322.2 g，總過濾效率為：0.906。試驗結(jié)果對比可知，水頭損失相差不大，但采用更大面積濾網(wǎng)時將會有更大的截沙質(zhì)量和總過濾效率，因此濾網(wǎng)面積選為2 060 cm2。試驗發(fā)現(xiàn)通過單指標和多指標試驗結(jié)果分析確定的最佳工況不同，而實際工程中通常兼顧多個考察指標，因此，采用綜合指標來確定最佳工況。最終，通過對多個考察指標綜合分析確定的最佳工況為：進水流量4 m3/h，含沙量1.5 g/L，分水器型式3型，濾網(wǎng)面積2 060 cm2。

3 討 論

本文通過方差分析探究得出進水流量是影響泵前微壓過濾器水頭損失的首要影響因素。對于泵后強壓條件下的網(wǎng)式過濾器水頭損失的研究，專家學者們主要通過物理試驗和理論分析等方法探究了流量對網(wǎng)式過濾器的影響，研究結(jié)果表明水頭損失隨著進水流量的增大而增大[17,24-25]，這就說明進水流量對網(wǎng)式過濾器的水頭損失有著重要影響。泵前微壓過濾器是在微壓邊界條件下運行的，相比于在泵后強壓條件下運行的過濾器水頭損失要小得多，僅有0.115 m，與目前主推的低壓（微壓）小流量技術(shù)相匹配，由于其水頭損失小，所需要的水泵揚程小相應的功率也低，因此可節(jié)約大量電力。在研究泵前微壓過濾器總過濾效率時濾網(wǎng)面積和含沙量對其有著重要影響，專家學者們在探究泵后強壓條件下的網(wǎng)式過濾器過濾性能時，發(fā)現(xiàn)影響過濾器總過濾效率的主要因素有流量、含沙量、濾網(wǎng)孔徑[16,26-27]等，這與影響泵前微壓過濾器總過濾效率的因素基本一致。

本研究取得的成果僅適用于流量（2、4、6、7、8 m3/h）、含沙量（0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 g/L）、分水器型式（1型、2型、3型）、濾網(wǎng)面積（1 105、1 582、2 060 cm2），其他工況有待進一步研究。且本試驗僅探討了流量、含沙量、分水器型式、濾網(wǎng)面積4個參數(shù)對泵前微壓過濾器水頭損失、截沙質(zhì)量和總過濾效率的影響，而對沙粒粒徑、濾網(wǎng)目數(shù)等參數(shù)尚未研究，在今后的研究中將會考慮更多的影響因素對泵前微壓過濾器的水力性能和過濾性能的影響。在本試驗中對泵前微壓過濾器只進行了物理試驗，并未對其內(nèi)部流場進行探索，在今后的研究中可結(jié)合計算機數(shù)值模擬等方法，深化有關(guān)泵前微壓過濾器的研究。

4 結(jié) 論

本文在對泵前微壓過濾器進行室內(nèi)物理模型試驗的基礎(chǔ)上，研究了進水流量、含沙量、分水器型式、濾網(wǎng)面積對水頭損失、截沙質(zhì)量和總過濾效率的影響，通過方差分析得到，各因素對水頭損失的影響排序為：進水流量、含沙量、濾網(wǎng)面積、分水器型式；各因素對截沙質(zhì)量的影響排序為：含沙量、濾網(wǎng)面積、分水器型式、進水流量；各因素對總過濾效率的影響排序為：濾網(wǎng)面積、含沙量、分水器型式、進水流量；通過對多個考察指標綜合分析確定的最佳工況為：進水流量4 m3/h，含沙量1.5 g/L，分水器型式3型，濾網(wǎng)面積2 060 cm2。

[1] MESQUITA M, DE DEUS F P, TESTEZLAF R, et al. Design and hydrodynamic performance testing of a new pressure sand filter diffuser plate using numerical simulation[J]. Biosystems Engineering, 2019, 183: 58-69.

[2] CAPRA A, SCICOLONE B. Emitter and filter tests for wastewater reuse by drip irrigation[J]. Agricultural Water Management, 2004, 68(2): 135-149.

[3] LIU Z J, SHI K, XIE Y, et al. Hydraulic performance of self-priming mesh filter for micro-irrigation in northwest China[J]. Agricultural Research, 2021: 1-10.

[4] DEMIR V, YURDEM H, YAZGI A, et al. Determination of the head losses in metal body disc filters used in drip irrigation systems[J]. Turkish Journal of Agriculture & Forestry, 2009, 33(3): 219-229.

[5] 劉軍. 新疆農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉技術(shù)長效利用研究[D]. 烏魯木齊: 新疆農(nóng)業(yè)大學, 2016.

LIU Jun. Study on long-term utilization of agricultural high-efficienty water-saving irrigation technology in Xinjiang[D]. Urumqi: Xinjiang Agricultural University, 2016.

[6] 劉旋峰, 郭兆峰, 石鑫, 等. 淺析國內(nèi)幾種微灌用水質(zhì)處理過濾器的使用現(xiàn)狀[J]. 新疆農(nóng)機化, 2017(3): 27-30.

LIU Xuanfeng, GUO Zhaofeng, SHI Xin, et al. Analysis of utilization of water treatment filters for micro-irrigation in China[J]. Xinjiang Agricultural Mechanization, 2017(3): 27-30.

[7] ELBANA M, RAMíREZ DE CARTAGENA F, PUIG-BARGUéS J. New mathematical model for computing head loss across sand media filter for microirrigation systems[J]. Irrigation Science, 2013, 31(3): 343-349.

[8] 劉煥芳, 王軍, 胡九英, 等. 微灌用網(wǎng)式過濾器局部水頭損失的試驗研究[J]. 中國農(nóng)村水利水電, 2006(6): 57-60.

LIU Huanfang, WANG Jun, HU Jiuying, et al. The experimental study on local head loss of screen filter in micro irrigation[J]. China Rural Water and Hydropower, 2006(6): 57-60.

[9] 鄭鐵剛, 劉煥芳, 宗全利, 等. 微灌用自吸自動網(wǎng)式過濾器水頭損失的試驗研究[J]. 石河子大學學報(自然科學版), 2008, 26(6): 772-775.

ZHENG Tiegang, LIU Huanfang, ZONG Quanli, et al. Experimental studies on head loss of self cleaning water screen filter in micro-irrigation[J]. Journal of Shihezi University (Natural Science), 2008, 26(6): 772-775.

[10] DURAN-ROS M, ARBAT G, BARRAGáN J, et al. Assessment of head loss equations developed with dimensional analysis for micro irrigation filters using effluents[J]. Biosystems Engineering, 2010, 106(4): 521-526.

[11] YURDEM H, DEMIR V, DEGIRMENCIOGLU A. Development of a mathematical model to predict head losses from disc filters in drip irrigation systems using dimensional analysis[J]. Biosystems Engineering, 2008, 100(1): 14-23.

[12] WU W Y, CHEN W, LIU H L, et al. A new model for head lo ss assessment of screen filters developed with dimensional analysis in drip irrigation systems[J]. Irrigation and Drainage, 2014, 63(4): 523-531.

[13] ZONG Q L, ZHENG T G, LIU H F, et al. Development of head loss equations for self-cleaning screen filters in drip irrigation systems using dimensional analysis[J]. Biosystems Engineering, 2015, 133: 116-127.

[14] 崔瑞, 崔春亮, 盛祥明, 等. 兩種不同流道結(jié)構(gòu)的疊片水頭損失研究[J]. 水資源與水工程學報, 2019, 30(2): 257-260.

CUI Rui, CUI Chunliang, SHENG Xiangming, et al. Research of lamination head loss for two different types of channel structure[J]. Journal of Water Resources and Water Engineering, 2019, 30(2): 257-260.

[15] 張文正, 蔡九茂, 呂謀超, 等. 砂石過濾器過濾效果影響因素試驗研究[J]. 灌溉排水學報, 2020, 39(7): 77-83.

ZHANG Wenzheng, CAI Jiumao, LYU Mouchao, et al. Experimental study on influencing factors of filtration effect of sand filter[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2020, 39(7): 77-83.

[16] 宗全利, 楊洪飛, 劉貞姬, 等. 網(wǎng)式過濾器濾網(wǎng)堵塞成因分析與壓降計算[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報, 2017, 48(9): 215-222.

ZONG Quanli, YANG Hongfei, LIU Zhenji, et al. Clogging reason analysis and pressure drop calculation of screen filter[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(9): 215-222.

[17] 石凱, 劉貞姬, 李曼. 新型翻板網(wǎng)式過濾器水頭損失試驗研究[J]. 排灌機械工程學報, 2020, 38(4): 427-432.

SHI Kai, LIU Zhenji, LI Man. Experimental study on head loss of a new type of rotatable plate screen filter[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2020, 38(4): 427-432.

[18] 周理強, 韓棟, 喻黎明, 等. 導流片對Y型網(wǎng)式過濾器性能的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2020, 36(12): 40-46.

ZHOU Liqiang, HAN Dong, YU Liming, et al. Effects of guide vanes on performance of Y-screen filter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2020, 36(12): 40-46.

[19] 李楠, 翟國亮, 張文正, 等. 微灌用疊片過濾器的過濾性能試驗研究[J]. 灌溉排水學報, 2016, 35(11): 52-56.

LI Nan, ZHAI Guoliang, ZHANG Wenzheng, et al. Filtration performance of disc filters for microirrigation[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2016, 35(11): 52-56.

[20] 秦天云, 王文娥, 胡笑濤. 滴灌系統(tǒng)網(wǎng)式和疊片式過濾器水力性能試驗研究[J]. 灌溉排水學報, 2017, 36(1): 57-62.

QIN Tianyun, WANG Wen’e, HU Xiaotao. Hydraulic performance of screen and disc filters for drip irrigation[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2017, 36(1): 57-62.

[21] 李云開, 馮吉, 宋鵬, 等. 低碳環(huán)保型滴灌技術(shù)體系構(gòu)建與研究現(xiàn)狀分析[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報, 2016, 47(6): 83-92.

LI Yunkai, FENG Ji, SONG Peng, et al. Developing situation and system construction of low-carbon environment friendly drip irrigation technology[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(6): 83-92.

[22] 陶洪飛, 周洋, 李巧, 等. 泵前微壓過濾裝置.中國： 202020260675.0[P]. 2020-11-03.

TAO Hongfei, ZHOU Yang, LI Qiao, et al. Pre-pump Micro-pressure filtration device. China: 202020260675.0[P]. 2020-11-03.

[23] 劉煥芳, 宗全利, 金瑾, 等. 西北旱寒區(qū)渠系泥沙防控研究：以新疆為例[J]. 水利與建筑工程學報, 2021, 19(6): 1-9.

LIU Huanfang, ZONG Quanli, JIN Jin, et al. Sediment control of canal heads and channel in arid and cold area of northwest China—Taking xinjiang as an example[J]. Journal of Water Resources and Architectural Engineering. 2021, 19(6): 1-9.

[24] 駱秀萍. 自清洗網(wǎng)式過濾器運行特性及內(nèi)部流場數(shù)值模擬研究[D]. 石河子: 石河子大學, 2013.

LUO Xiuping. Study on operating characteristics and internal flow field numerical simulation of self-cleaning screen filter[D]. Shihezi: Shihezi University, 2013.

[25] 宗全利, 劉飛, 劉煥芳, 等. 大田滴灌自清洗網(wǎng)式過濾器水頭損失試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2012, 28(16): 86-92.

ZONG Quanli, LIU Fei, LIU Huanfang, et al. Experiments on water head loss of self-cleaning screen filter for drip irrigation in field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2012, 28(16): 86-92.

[26] 王柏林, 劉煥芳, 劉貞姬, 等. 旋流網(wǎng)式組合型過濾器過濾性能研究[J]. 中國農(nóng)村水利水電, 2017(9): 1-4, 9.

WANG Bolin, LIU Huanfang, LIU Zhenji, et al. Experimental research on the filter performance of swirl-and-screen type combined filter[J]. China Rural Water and Hydropower, 2017(9): 1-4, 9.

[27] 王柏林. 旋流網(wǎng)式組合型過濾器水砂性能分析[D]. 石河子: 石河子大學, 2016.

WANG Bolin. Study on water and sand performance of swirl and screen type combined filter[D]. Shihezi: Shihezi University, 2016.

Optimizing Operating Condition of the Filters in Micro-irrigation Pump

TAO Hongfei1,2*, SHEN Pingping1,2, ZHOU Yang1,2, WU Zijing1,2, LI Qiao1,2

(1. College of Hydraulic and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China; 2. Xinjiang Key Laboratory of Hydraulic Engineering Security and Water Disasters Prevention, Urumqi 830052, China)

A porous filter is often used in micro-irrigation systems to filter debris and sand particles. Its performance depends on many factors. The purpose of this paper is to present a method to optimize its operating conditions.The studies were based on a micro-pressure filter. We took water pressure loss, sand interception rate and filtration efficiency as assessment criteria. In the experiments we measured and calculated the combined impact of inlet flow, sediment content, water-separator type, and filter area on operation of the filter. The results were processed using the analysis of range and variance.The factors that affected the head loss of muddy water across the filter were ranked in the descending order of inlet flow > sediment content > filter area > water separator type. The factors that impacted the mass of sand trapped by the filter were ranked in the descending order of sediment content > filter area > water separator type > inlet flow rate. The factors that affected the total filtration efficiency were ranked in the descending order of filter area > sediment content > water separator type>inlet flow rate.The two factors that affected water head loss across the filter, sediment filtration and total filtration efficiency most are sediment content and filter area. Comprehensive analysis shows that the optimal operating conditions for the filter are sediment concentration 0.36 kg/m3, inflow rate 4 m3/h, water separator type Type 3, filter area 2 060 cm2.

filter; micro-irrigation; orthogonal design; analysis of variance

S275

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021335

陶洪飛, 沈萍萍, 周洋, 等. 微灌用泵前微壓過濾器的最佳運行工況研究[J]. 灌溉排水學報, 2022, 41(6): 72-79.

TAO Hongfei, SHEN Pingping, ZHOU Yang, et al. Optimizing Operating Condition of the Filters in Micro-irrigation Pump[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(6): 72-79.

1672 - 3317（2022）06 - 0072 - 08

2021-08-02

新疆維吾爾自治區(qū)創(chuàng)新環(huán)境（人才、基地）建設(shè)專項-“天山青年計劃”項目（2019Q075）；2019年度新疆維吾爾自治區(qū)人民政府公派出國留學成組配套項目

沈萍萍（1997-），女。碩士研究生，主要從事節(jié)水新技術(shù)與新設(shè)備以及計算水力學研究。E-mail: 380217684@qq.com

陶洪飛（1987-），男。副教授，博士生導師，主要從事節(jié)水新技術(shù)與新設(shè)備以及計算水力學研究。E-mail: 304276290@qq.com

責任編輯：趙宇龍